第一作者：Yiwen Chen

通讯作者：Jiayi Zheng，Jian Zhang 

通讯单位：江南大学智能制造学院

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2024.147653

参考资料：Materials Science & Engineering A 922 (2025) 147653

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一、论文摘要

    本研究开发了一种新型TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金，这是一种轻质难熔高熵合金（RHEAs），在强度和塑性之间实现了优化平衡，适用于先进的结构应用。该合金密度约为5.7 g/cm³，呈现单一体心立方结构，具有局部成分波动、显著的固溶强化效应和活跃的多滑移系。对该合金的严格测试表明，在0.001 s⁻¹的应变速率下，其拉伸屈服强度（YS）为1048±10 MPa，延伸率为32±3%，比屈服强度为184±2 MPa·g⁻¹·cm³，超越了传统轻质合金。在动态加载条件下（2500-5000 s⁻¹），该合金的屈服强度达到1800-2500 MPa，表现出优异的绝热剪切失效抗力。这种卓越的力学性能凸显了难熔高熵合金作为下一代轻质结构合金的巨大潜力。

二、图文解析

图1：(a) (TiZrV₀.₅Nb₀.₃)₁₀₀₋ₓAlₓ体系的等温截面图。(b) 基于Scheil-Gulliver方程预测的TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金非平衡凝固路径。(c) TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金凝固过程中BCC相的成分变化预测。(d~i) TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金的相和微观结构表征：(d) XRD图谱；(e) 背散射电子像；(f) 反极图；(g) 由EBSD结果得到的晶粒尺寸分布；(h) 选区电子衍射花样；(i) 高分辨透射电镜图像。

图2：TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金BCC结构中的原子尺度HAADF-STEM图像及相应的元素分布。

图3：TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金的力学性能：(a, b) 0.001 s⁻¹加载下的真拉伸应力-应变曲线及相应的应变硬化曲线；(c, d) 0.001 s⁻¹加载下的真压缩应力-应变曲线及相应的应变硬化曲线；(e, f) 2500、3500、4000和5000 s⁻¹加载下的动态压缩应力-应变曲线及相应的应变硬化曲线。

图4：TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金与文献中报道的铸态或均匀化难熔高熵合金、3d过渡金属高熵合金（3d-HEAs）、镁、铝和钛合金的(a) 屈服强度与拉伸应变和(b) 比屈服强度与拉伸应变的对比。

图5：(a) 真应变22%、应变速率0.001 s⁻¹下拉伸试样的迹线分析。(b) 拉伸断口。(c) 真应变69.3%、应变速率0.001 s⁻¹下的压缩微观结构。(d) 应变速率4000 s⁻¹下的压缩微观结构。(f) 应变速率5000 s⁻¹下的压缩微观结构。

图6：拉伸应变(a, b) 1.5%、(c) 5%和(d) 10%下透射电镜表征的位错组态。

三、结论

    本研究成功开发了TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金，这是一种新型轻质结构材料，在强度和塑性之间实现了巧妙平衡，适用于先进的工程应用。对该合金的微观结构、准静态和动态条件下的力学性能以及变形机制进行了全面研究。

（1）铸态TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金呈现无序单相BCC结构，平均晶粒尺寸为303±10 μm。值得注意的是，通过原子尺度元素分布图观察到局部BCC晶格内存在显著的浓度波动，尤其是铝和铌元素。

（2）在准静态和动态加载条件下均测定了优异的力学性能。在0.001 s⁻¹的应变速率下，合金实现了1048±10 MPa的拉伸屈服强度和32±3%的显著延伸率，比屈服强度高达184±2 MPa·g⁻¹·cm³。这些性能超越了可比的塑性难熔高熵合金、3d高熵合金以及常见的镁、铝和钛合金，展示了强度与塑性的有利协同。在动态条件下（2500-5000 s⁻¹），合金表现出明显的应变速率依赖性屈服强度增加，范围为1800 MPa至2500 MPa。

（3）强度的显著提升主要归因于强烈的固溶强化效应，估计约为773 MPa。位错行为分析，包括位错组态和滑移迹线，表明显著的浓度波动有助于位错交滑移和增殖。值得注意的是，交叉位错带有效缓解了应力集中并延迟了失效起始，这促成了合金的大塑性。在高应变速率加载下，该合金对绝热剪切失效的抗力是其优异性能的基础。这些强化和增塑机制的分析展示了TiZrV₀.₅Nb₀.₃Al₀.₂合金在需要高强度和显著塑性环境中的巨大应用潜力。